Ловецът на тъмна материя

Джон Елис е най-цитираният физик, който неуморно преследва частиците извън Стандартния модел

Джон Елис е може би най-цитираният физик в света. World Scientific категорично го определя като най-цитирания физик за всички времена.

Към днешна дата Елис е цитиран над 92 хил. пъти, а всяка негова статия е споменавана в други научни публикации средно по 94 пъти. Освен изключителните научни постижения, той има един рядък талант – умее да обяснява дори най-заплетените концепции във физиката ясно.

Той е и човекът, въвел популярния термин „Теория на всичко“.

Елис е член на Кралското общество, Clerk Maxwell професор по теоретична физика в King's College London, носител е на престижните награди „Максуел“ и „Пол Дирак“. За огромния си принос в науката е отличен от британската кралица с ордена Commander of the Order of the British Empire. Избран е за член на Лондонското кралско общество през 1985 г. и на Института по физика през 1991 г. и е почетен сътрудник на Кралския колеж в Кеймбридж и на Кралския колеж в Лондон.

Докато обикаляме ЦЕРН, за да не изпуснем поредната среща, минаваме през кафето и там за втори път виждам човек, който ми се струва познат. Моля Зорница Захариева – една от българките в ЦЕРН, на ключова позиция, да ми помогне да се запозная с него. С усмивка тя ми отговаря, че това е Джон Елис - един от най-изтъкнатите физици в света – истинско светило в областта на теоретичната физика. Ученият изглежда вглъбен в работата си и не забелязва, че от няколко минути

стоим на разстояние от него

и се чудим как да го заговорим. Доста самонадеяно с 26-те години стаж и опит във всякакви ситуации, тръгвам към него, но Захариева тактично ме спира. „Нека първо аз да поговоря с него - казва тя. - Джон Елис е много отзивчив. Преди няколко години го поканих да изнесе лекция пред 24 български ученици, които бяха в ЦЕРН на стажантска програма, и той прие с удоволствие.“ Тя тихо се приближи, извини се, че го безпокои, каза му няколко думи, той кимна, след което ни извика. Има мигове, които се запечатват в съзнанието за цял живот и този е един от тях. В момента, в който този велик учен вдигна погледа си към нас, в очите му имаше такава доброта, смирение и скромност и същевременно такъв блясък, че те оставиха завинаги един особен отпечатък.

Странен и впечатляващ момент, както всичко в Европейската организация за ядрени изследвания, която тези дни отпразнува 50-годишнината от пуска в експлоатация на първия колайдер (ISR - Intersecting Storage Rings), който е крайъгълен камък за развитието на ускорителите в ЦЕРН. Благодарение на тях физици като Елис могат да разкриват тайните на тъмната материя, на черните дупки, на антиматерията и да ни приближават всеки ден към Новата физика, която ще обедини Стандартния модел с необяснимите странности на квантовата физика.

Самият Елис след докторантурата си от университета в Кеймбридж през 1971 г. се присъединява към групата SLAC в калифорнийския университет Caltech. Паралелно с това работи и в CERN, където шест години е ръководител на теоретичния департамент и в момента продължава да е част от него.

Научните му интереси се фокусират върху феноменологичните аспекти на физиката на елементарните частици и връзките им с астрофизиката, космологията и квантовата гравитация. Част от изследванията му са посветени на интерпретирането на резултатите от търсенето на нови частици. Той е един от първите, които изучават как може да се открие бозонът на Хигс и какво е неговото отношение към евентуалната

Нова физика,

към тъмната материя и суперсиметрията. Той също така изучава възможните бъдещи ускорители на частици, като компактния линеен колайдер (CLIC) и бъдещите кръгови колайдери.

Изследователските му интереси са концентрирани върху физиката на частиците извън Стандартния модел, която все по-често се преплита с астрофизиката и космологията. Във физиката на частиците той прави прогнози за резултатите от експериментите в ускорителите и интерпретира получените данни. Интересите му в астрофизиката и космологията включват тъмната материя и стратегии за нейното откриване, както и тъмната енергия и космологичната инфлация.

Голяма част от неговите изследвания са посветени на суперсиметрията, която той смята за едно от най-обещаващите възможни разширения на Стандартния модел.

През 1984 г. заедно с колегите си Хейглин, Нанопулос, Олив и Средницки стигат до извода, че най-леката суперсиметрична частица ще бъде естествен кандидат за тъмната материя и изчисляват плътността й във Вселената. Статията „Суперсиметрични реликви от Големия взрив“ в сп. „Ядрена физика“ е цитирана над 1000 пъти. През 1990 - 1991 г. заедно с Кели и Нанопулос публикуват 2 статии с прецизни данни от LEP, за да покажат как суперсиметрията ще помогне за унифициране на връзките и взаимодействията в Стандартния модел. Едната е цитирана 795 пъти, а другата 429.

През 1991 г., 20 години преди физиците в ЦЕРН да открият Higgs бозона, Елис заедно с Ридолфи и Цвирнер изчисляват масата на лекия супернесъразмерен Higgs бозон като резултатът им съответства на данните след откриването му в LHC. Може би затова още тогава тази статия е цитирана над 1000 пъти.

През 2003 г. във Physics Letters той публикува статията „Суперсиметрична тъмна материя в светлината на WMAP“ и това се превръща в една от най-влиятелните статии изобщо във физиката. С нея той показва, че с WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – изследователската мисия на НАСА) може да се определи плътността на тъмната материя. Тъй като по това време в LHC текат експерименти, свързани със суперсиметрията, тази статия приковава вниманието на всички физици по света.

През 2011 г. той заедно със свои колеги теоретици и експериментатори публикуват „Последици от първоначалните LHC търсения за суперсиметрия“ в European Physical Journal. В нея те правят подробен анализ на данните, свързани със суперсиметрията, включително и възможните последици от появата на

Higgs бозона

в LHC. (Една година преди официално да бъде потвърдено съществуването му.)

Последните му изследвания също са посветени на търсенето на тъмната материя и суперсиметрията, която осигурява мост между Стандартния модел и необяснимото поведение на частиците.

Започваме разговора и първият ми въпрос е за една от най-големите загадки във Вселената – за пъзела, който над 90 години предизвиква поколения физици. Причината е в основателното предположение, че освен видима материя трябва да има и друга – невидима. Доказателствата се крият в гравитационните сили. Инструментариумът за „улавянето“ й става все по-съвършен и вниманието на Елис е насочено именно към тези резултати. Самият той е нещо като галактически детектив, който използва всички налични данни – както от Големия адронен колайдер LHC в ЦЕРН, така и от други ускорители, за да засече частици или следи от частици тъмна материя.

„Историята започва през 30-те години на миналия век, когато швейцарският астрофизик Фриц Цвики наблюдава галактиките в клъстера (струпването) Кома – разказва Джон Елис. - Тогава той открива нещо странно - че тези галактики се движат твърде бързо. Какво имам предвид? Чрез галактиките можем да изчислим какво гравитационно поле генерират и след това да пресметнем каква скорост трябва да имат, за да останат в това гравитационно поле. Така Цвики установява, че тези галактики в Кома се движат твърде бързо. Тоест ако действа само гравитационното поле, генерирано от видимата материя, те би трябвало да се разлетят – да се отдалечат една от друга, а не да остават заедно. Затова Цвики смята, че там трябва да има някаква допълнителна невидима форма на тъмна материя.

Все пак говорим за 30-те години и тогава не се обръща внимание на това наблюдение. Човекът, който наистина предоставя доказателства за тъмната материя, е американският астроном Вера Рубин. Тя прави нещо различно – докато наблюдава движението на звездите в самите галактики, забелязва почти същия ефект като Фриц Цвики - движат се твърде бързо (почти с еднаква скорост както близо до центъра на галактиката, така и далеч по периферията й (което противоречи на закона на Нютон, според който отдалечените от центъра звезди трябва да се движат по-бавно, тъй като гравитацията отслабва с отдалечаването от центъра). Затова тя стига до извода на Цвики, че гравитационното поле, генерирано от звездите, не е достатъчно, за да ги задържи в галактиката при тази висока скорост.“

„От 70-те години досега има още много доказателства, потвърждаващи, че тъмната материя съществува – казва Елис. - Например можем да измерим свойствата на фоновата радиация, изпълваща Вселената, генерирана при раждането на атомите 300 000 години след Големия взрив. Използвайки тази светлина, можем да разберем какво е имало във Вселената в началото на нейното развитие. С моите измервания на фоновата радиация може да се изчисли плътността на материята, на антиматерията.

Очевидно е имало радиация,

очевидно е имало обикновена видима материя, но освен това трябва да я е имало и тази тъмна материя. Използвайки тези наблюдения, можем в известен смисъл да изчислим количеството тъмна материя и да я сравним с количеството видима материя. Тъмната материя е около 6 пъти повече от видимата (т.нар. барионна) материя във Вселената. Някои казват, че това не е материя - просто неправилно разбираме гравитацията. Но аз мисля, че тази идея не описва коректно какво се случва с космическия микровълнов радиационен фон, мисля, че „модифицирането“ на гравитацията е много по-необосновано обяснение от това, че има допълнителна материя, която не можем да видим.“

На въпрос от какво може да е съставена тази тъмна материя, тъй като Елис е част от теоретичното звено на ЦЕРН и той много внимателно наблюдава резултатите от експериментите в LHC, той казва: „Полагат се огромни експериментални усилия, за да се установи какви са свойствата на тази частица „тъмна материя“ – тя няма електрически заряд или има много малък електрически заряд - не е същият като при електрона или протона, има много слаби взаимодействия. Тоест тя не е съставена от неутрални елементарни частици като неутрон (неутронът има същата маса като протона, но няма заряд – бел. ред.), например. Тя трябва да има относително голяма маса и следователно не може да е неутрино. Трябва да е допълнителен тип частица – нещо, което не сме срещали преди. Има различни идеи каква трябва да е частицата тъмна материя - зависи от идеите и начините за търсене. Според теорията ние седим в тази стая и тук има частици тъмна материя през цялото време. Ако тъмната материя е тук, би трябвало да е лесно да я регистрираме, но не е така просто, защото взаимодействията са много, много слаби.“

Причината е, че космическите лъчи объркват учените и затова те предпочитат да провеждат изследванията в подземни лаборатории, добре защитени от външни влияния. Затова ускорителите и детекторите в ЦЕРН са на 100 м под повърхността. Именно в тези експерименти са откривани следи от частици тъмна материя – в тях се търсят много редки, много слаби сблъсъци между евентуалните частици тъмна материя и частици обикновена материя.

„Ако това наистина са частици тъмна материя и ако тяхното тегло е хиляди пъти по-малко от това на протона, тогава сблъсъците между протони и високоенергийни частици трябва да произведат частици тъмна материя. Тези частици тъмна материя не се виждат, защото нямат електрически заряд, нямат взаимодействия в детектора, но след като са произведени, те имат енергия и скорост, които могат да бъдат засечени в детектора.

Всъщност не виждате самата частица тъмна материя, тъй като тя няма електрически заряд, не взаимодейства в детектора, но след като бъде произведена, тя отнема енергия и инерция от видимото вещество, които може да откриете. Тогава трябва да извадите в таблица баланса на цялата енергия и инерция след сблъсъка и да видите къде има баланс и къде – не.

Ако няма, може би това е тъмна материя. Има два начина за търсенето й – ако има частици тъмна материя около нас във Вселената, тогава те могат да се сблъскват една с друга и да произведат частици, които можем да засечем в детекторите. Това е нещо, което астрономи и астрофизици правят –

търсят неочаквани частици

в космическите лъчи, но засега без късмет. Има и други възможности за търсене – например преди няколко години бяха открити гравитационни вълни от сливане на черни дупки с много ниска маса. Това е част от програмите на Големия адронен колайдер LHC в ЦЕРН за търсене на частици тъмна материя.“

Според Елис един от експериментите в ЦЕРН допуска, че при сблъсъците на ускорени протони с високи енергии могат да се произведат частици тъмна материя. Друга възможност е, когато астрономите засекат неочаквани частици в космическите лъчи, получени от сблъсъци на такива частици.

„Както и да е, това е ситуацията в момента – казва физикът. - Тъмната материя е голям пъзел.“

Има много идеи каква може да е тази тъмна материя - те варират от тежки черни дупки до вълни от невидими частици. В ЦЕРН е най-сериозният инструментариум за „залавянето“ й, но в момента няма преки доказателства. За самия Елис това е един от най-вълнуващите нерешени въпроси не само в астрофизиката и космологията, но и във физиката на елементарните частици.

Причината е, че в тъмната материя вероятно има цял нов свят от частици, за които досега учените нищо не знаят, но те могат да обяснят едни от най-големите тайни във Вселената.

„В суперсиметрията тя може да идва под формата на светлинни вълни – допуска физикът и веднага добавя: - Сега има нещо интересно - може би тъмната материя е създадена от черни дупки – възможно е те да са с много ниска маса. Това не може да се изключи.“

На въпрос каква е неговата хипотеза или предположение, Елис като типичен учен, който не робува на теории, а се интересува единствено от данните и резултатите, свива рамене: „Честно, не знам. От много години се интересувам от идеята за тежките суперсиметрични частици, LHC не ги е открил още. Аз продължавам да работя в областта на суперсиметрията по този въпрос. Но се интересувам и от тези много леки вълни-частици тъмна материя. Участвам в един експеримент във Великобритания, който се опитва да открие такива вълни. Следят се взаимодействията между атоми и се изследва различната чувствителност към тъмната материя, а също и към

гравитационните вълни

- в бъдеще. Аз се надявам, че знам, че тъмната материя съществува, но не знам какво точно е тя.“

- Айнщайн в края на живота си говори за нова сила във физиката, но така и не успява да я докаже.

- Тази идея е от дълго време, може би сега има някакви доказателства, но не са окончателни. Айнщайн не е знаел за взаимодействията на частиците, той не е такъв физик, той е разбирал от електромагнетизъм, от гравитацията, но не е бил заинтересован от силното и слабото взаимодействие. Сега ние знаем за тях, но тогава тези теории не са съществували. Идеята на Айнщайн за допълнителна сила е хипотетична.

- Той казва че е повече философ отколкото физик – смята, че има сила, която обединява всичко. Това са негови предположения, а не изследвания.

- Съгласен съм, че в късните години той е бил главно философ, но преди това е бил истински физик, който интерпретира данните, който работи с данните от експериментите.

- Той казва, че ако постигнем скоростта на светлината или по-висока можем да пътуваме във времето. Възможно ли е това или е фикция?

- Принципно е истина, но ако пътуваме по-бързо от скоростта на светлината, тогава ще пътуваме във времето. Истината е, че не можем да пътуваме с по-висока скорост, иначе би се променил начинът, с който описваме реалността. Теоретично е много трудно да се разбере как се пътува по-бързо от скоростта на светлината – частиците, пътуващи по-бързо от нея, са тахиони – има теоретичен проблем с тях, когато говорим за фермиони и бозони. Ако тахиони и бозони са нестабилни във вакуум и могат да стигнат до колапс, тогава тахионите не могат да са бозони, могат да са фермиони – т.е. отговорът е „не“. Принципите в специалната относителност са да се определят начините, по които частиците проявяват своето поведение, техният спин. Спинът при

тахионите

е напълно различен от този на електрона или на неутриното, за фермионите знаем, затова мисля, че е невъзможно за частица да се движи по-бързо от скоростта на светлината.

- Но в ЦЕРН постигате 99,9999991% от скоростта на светлината, след 10 години, когато има други ускорители, възможно ли е да се постигне по-висока скорост?

- Но според специалната относителност на Айнщайн, ако се движим по-бързо, е необходима повече енергия. Същото е с частиците, поставяте ги в електромагнитните полета, но сумата от енергията, която трябва да пуснете в електрони и протони, за да пътуват със скоростта на светлината - може в бъдеще да е повече. Да, ние сме близо до нея, но никога не сме постигали скоростта на светлината.

Какво мисли Джон Елис за новата физика, черните дупки, за странностите в квантовата механика, защо предпочита суперсиметрията и теорията на струните, четете в следващ брой.

Европроект "Космос"